基于定量思維培養(yǎng)的有機(jī)主題式教學(xué)設(shè)計
——以“堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用”為例

許靈敏

（華南師范大學(xué)附屬中學(xué)，廣東廣州 510630）

引言

基于官能團(tuán)的典型反應(yīng)來分析理解有機(jī)合成反應(yīng)是有機(jī)模塊常用的經(jīng)典教學(xué)方法，是以特征官能團(tuán)為依據(jù)，通過研究其典型反應(yīng)及轉(zhuǎn)化規(guī)律來理解某一類有機(jī)化合物性質(zhì)的方法，符合結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)和研究的一般規(guī)律。定量思維的培養(yǎng)則通過化學(xué)反應(yīng)原理模塊實(shí)施，在有機(jī)化學(xué)模塊培養(yǎng)學(xué)生的定量思維較為少見。本文選取了有機(jī)合成中的真實(shí)情境問題，對基于定量思維培養(yǎng)的有機(jī)化學(xué)主題式教學(xué)進(jìn)行了大膽嘗試。

一、基于定量思維培養(yǎng)的有機(jī)主題式教學(xué)

化學(xué)定量思維是在對化學(xué)概念、化學(xué)原理“量”的理解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和變化中“量”的問題的能力[1]。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》附錄1 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中對定量思維的培養(yǎng)從不同的水平層次提出了相應(yīng)的要求，其中素養(yǎng)2“變化觀念與平衡思想”要求學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)中量變和質(zhì)變的關(guān)系，能用定性和定量結(jié)合的方式揭示化學(xué)變化的本質(zhì)特征并作出解釋或預(yù)測；素養(yǎng)3“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”要求學(xué)生從定性與定量相結(jié)合的角度去收集證據(jù)、分析并計算得出合理的結(jié)論[2]。在選擇性必修課程模塊1 化學(xué)反應(yīng)原理與定量思維能力相關(guān)的要求之一為平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的簡單計算并利用平衡常數(shù)判斷平衡移動的方向；模塊3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)中則側(cè)重通過官能團(tuán)的組成與結(jié)構(gòu)來認(rèn)識有機(jī)物的性質(zhì)及其相關(guān)反應(yīng)，而對定量思維的培養(yǎng)未做明確具體要求。不同于無機(jī)反應(yīng)，大多數(shù)有機(jī)反應(yīng)較為復(fù)雜，且往往伴隨各種副反應(yīng)，有些反應(yīng)是可逆的，如通過乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)制備乙酸乙酯，會導(dǎo)致原料的轉(zhuǎn)化率不高。教師如果能從化學(xué)原理定性，尤其是定量的角度，引入平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率來理解、分析有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，不僅能夠強(qiáng)化學(xué)生對平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率、可逆反應(yīng)等概念的理解，鞏固平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率的計算，還能使學(xué)生深刻地理解有機(jī)反應(yīng)的條件，為進(jìn)一步評價和優(yōu)化反應(yīng)條件和合成路線提供有力的理論依據(jù)。因此，教師在有機(jī)化學(xué)模塊教學(xué)中加強(qiáng)對學(xué)生定量思維的培養(yǎng)有利于加強(qiáng)不同模塊知識的內(nèi)在聯(lián)系，從而有助于提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析、解決問題的能力。

教師以主題為引領(lǐng)，基于真實(shí)問題情境和與科研、生產(chǎn)成果有關(guān)的課堂內(nèi)容更有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。盡管新授課和復(fù)習(xí)課在教學(xué)目標(biāo)和要求方面不盡相同，當(dāng)采用主題式教學(xué)模式時，因其問題之間關(guān)聯(lián)性、邏輯性較強(qiáng)，知識呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化[3]，比傳統(tǒng)的知識點(diǎn)講授教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、發(fā)展學(xué)生的綜合思維能力。

二、“堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用”主題教學(xué)設(shè)計

本文以“堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用”主題為例，探討如何在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)定量思維的培養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的綜合思維能力。教學(xué)內(nèi)容取材于2011年中國化學(xué)會第24 屆全國高中學(xué)生化學(xué)競賽（決賽）理論試題第7題——一種新的抗心律失常藥物Dofetilide 的合成。合成該藥物關(guān)鍵中間體的幾種合成路線均采用了多步的親核取代反應(yīng)，這些取代反應(yīng)中都使用了堿。學(xué)生在初中已掌握“酸堿鹽”的概念、分類和基本性質(zhì)，高中對酸堿反應(yīng)、酸堿平衡等進(jìn)行了更深入的學(xué)習(xí)，并能進(jìn)行平衡常數(shù)相關(guān)的計算，但對有機(jī)合成反應(yīng)中堿的具體作用認(rèn)識尚淺。人教版化學(xué)教材選修5 中有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)中比較典型的與堿的應(yīng)用相關(guān)的反應(yīng)有以下幾方面：（1）鹵代烴的取代反應(yīng)和消去反應(yīng)中NaOH 的應(yīng)用；（2）酯的皂化反應(yīng)中NaOH 的應(yīng)用——涉及的反應(yīng)和堿的種類較少，對于堿的具體作用也沒有深入討論。因此，從藥物研發(fā)和生產(chǎn)的實(shí)際挖掘素材和主題，運(yùn)用化學(xué)原理中的定量思維來分析有機(jī)合成中的問題，不僅可以更全面、深刻地理解堿在有機(jī)合成反應(yīng)中的作用，復(fù)習(xí)鞏固元素模塊和原理模塊所學(xué)的關(guān)于堿的性質(zhì)、酸堿平衡反應(yīng)、平衡移動原理和平衡常數(shù)的知識內(nèi)容，而且有利于提升學(xué)生在真實(shí)問題情境中綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

（一）教學(xué)目標(biāo)

（1）復(fù)習(xí)運(yùn)用平衡移動原理，從定性的角度分析堿在反應(yīng)平衡中的作用；初步學(xué)會通過比較相關(guān)反應(yīng)的平衡常數(shù)，從定量的角度解釋平衡移動的程度，提升化學(xué)定量思維能力。

（2）熟練計算反應(yīng)物不同計量比時的轉(zhuǎn)化率及主產(chǎn)物的產(chǎn)率，推斷可能的副產(chǎn)物結(jié)構(gòu)；體會通過改變反應(yīng)物的計量比來調(diào)控原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的手段和方法。

（3）擴(kuò)展對堿在有機(jī)反應(yīng)中的作用的認(rèn)識。

（4）加強(qiáng)無機(jī)原理和有機(jī)反應(yīng)之間的聯(lián)系，提升真實(shí)問題情境中分析、解決問題的綜合思維能力。

（二）教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，確立主題

本課簡要介紹抗心律失常藥物Dofetilide 的合成路線（見圖1），指出路線的兩個特點(diǎn)：（1）合成路線中的五步反應(yīng)有四步為親核取代反應(yīng)；（2）上述反應(yīng)中均使用了堿。教師可引導(dǎo)學(xué)生體會堿在有機(jī)反應(yīng)中的廣泛應(yīng)用，并通過舊知識的回顧——鹵代烴的取代和消去反應(yīng)中堿（NaOH）的應(yīng)用，引出主題——“堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用”。

圖1 抗心律失常藥物Dofetilide的合成路線

環(huán)節(jié)二：定量分析，提升能力

師：該合成路線的第一步為取代苯酚1 和二溴乙烷的親核取代反應(yīng)，以NaOH 做堿，與學(xué)過的溴乙烷與NaOH 反應(yīng)類似，請通過配平反應(yīng)方程式，說明NaOH 的作用。

生：反應(yīng)中產(chǎn)生HBr，NaOH 會與HBr 發(fā)生酸堿中和反應(yīng)。

師：該中和反應(yīng)對原料的轉(zhuǎn)化是否有利？為什么？

生：有利。根據(jù)平衡移動原理，NaOH 與HBr 發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，消耗了產(chǎn)物，促使反應(yīng)平衡往右移動，有利于反應(yīng)物取代苯酚1 的轉(zhuǎn)化。

師：如何從定量的角度說明平衡移動的程度？反應(yīng)進(jìn)行的限度可以用什么來表示？

生：平衡常數(shù)。

師：對。下面請通過有NaOH 和沒有NaOH 時反應(yīng)平衡常數(shù)的比較來定量說明反應(yīng)進(jìn)行的程度。提示：如圖2所示，三個反應(yīng)式之間的聯(lián)系：②=①+③，推出平衡常數(shù)之間的關(guān)系為：K2=K1K3。

圖2

生：由上述關(guān)系式可以得出有NaOH 存在時反應(yīng)的平衡常數(shù)K2和無NaOH 存在時的平衡常數(shù)K1的關(guān)系，K2：K1=K3=1/Kw=1014。

師：上述結(jié)果說明什么？

生：有NaOH 存在時反應(yīng)進(jìn)行得更完全。

師：所以，以NaOH 作堿的作用是什么？

生：中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸HBr，使平衡往右移動，使反應(yīng)轉(zhuǎn)化得更加完全。

環(huán)節(jié)三：類比遷移，延伸拓展

師：該合成路線的第二步也是親核取代反應(yīng)，也用到了堿——有機(jī)物三乙胺，其作用是否和NaOH 一樣呢？

生：和NaOH 一樣，中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸HBr，使平衡往右移動，使反應(yīng)轉(zhuǎn)化得更加完全。

師：仔細(xì)觀察反應(yīng)式，反應(yīng)物3 也是有機(jī)胺，也可以作堿中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸，拉動平衡往右進(jìn)行。也就是說加不加三乙胺，反應(yīng)的平衡常數(shù)都是相近的，即反應(yīng)進(jìn)行的完全程度是差不多的。那為什么還要加入三乙胺呢？如果要完全中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸，需要加入多少胺呢？

生：需要加入胺3 的物質(zhì)的量為溴代物2 的2 倍。

師：如果溴代物2 和胺3 以1 ∶1 的摩爾比進(jìn)行反應(yīng)呢？請通過計算溴代物2 和胺3 在不同的計量比反應(yīng)時相對于目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率來說明。

生：當(dāng)溴代物2 和胺3 以1 ∶1 的摩爾比反應(yīng)時，有50%的胺3 會轉(zhuǎn)化為胺鹽，僅有50%的胺3 會和溴代物2 反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物4，相當(dāng)于溴代物2 的轉(zhuǎn)化率僅為50%。當(dāng)溴代物2 和胺3 以1 ∶2 的摩爾比反應(yīng)時，溴代物2 的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到100%，但會造成胺3 的浪費(fèi)。

師：如果加入等摩爾的三乙胺呢？

生：這時溴代物2 和胺3 的轉(zhuǎn)化率均達(dá)到100%，因此原料的利用率得到提高，避免浪費(fèi)。

師：是的，在實(shí)際生產(chǎn)的有機(jī)合成反應(yīng)中，我們希望盡可能地提高所有原料的轉(zhuǎn)化率，尤其是當(dāng)原料不易獲得或需要經(jīng)過多步合成制備時，為了避免浪費(fèi)，提高反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，往往會外加便宜易得的堿，如上面反應(yīng)的三乙胺。這是一種非常巧妙的方法，也是目前實(shí)際有機(jī)合成反應(yīng)中常用的方法。

環(huán)節(jié)四：歸納總結(jié)，鞏固升華

師：本節(jié)課我們以藥物Dofetilide 的合成路線為例，運(yùn)用定性到定量的原理分析討論了堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用。作用一：中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸，拉動平衡向右移動，這是根據(jù)平衡移動原理和平衡常數(shù)的比較，分別從定性和定量的角度進(jìn)行的分析；作用二：通過外加堿，中和反應(yīng)產(chǎn)生的酸，提高原料的轉(zhuǎn)化率，減少原料的副反應(yīng)消耗，這是從反應(yīng)計量比和轉(zhuǎn)化率定量的角度進(jìn)行的分析。運(yùn)用化學(xué)原理的知識來分析有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，可以讓我們對反應(yīng)的理解更為深入，加強(qiáng)知識的內(nèi)在聯(lián)系。

（三）教學(xué)反思

本節(jié)課以“堿在有機(jī)合成中的應(yīng)用”為主題，以實(shí)際科研生產(chǎn)中一種新的抗心律失常藥物Dofetilide 的合成路線為真實(shí)問題情境，通過有關(guān)聯(lián)和邏輯性的問題設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)原理相關(guān)的知識與能力（平衡移動原理判斷反應(yīng)移動的方向，反應(yīng)平衡常數(shù)的計算比較反應(yīng)進(jìn)行的完全程度、方程式的配平、不同計量比下反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的計算）來系統(tǒng)分析有機(jī)合成反應(yīng)中的條件和試劑的作用，可以鞏固學(xué)生的化學(xué)原理，在有機(jī)化學(xué)模塊運(yùn)用化學(xué)原理的分析方法，更有利于學(xué)生定量思維能力的全面提升，可以綜合鍛煉和考查學(xué)生多角度思考問題的能力。同時，教師在有機(jī)化學(xué)中滲透定量觀，加強(qiáng)無機(jī)和有機(jī)之間的內(nèi)在聯(lián)系，不僅是一種學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，也是一種新的教學(xué)方式的大膽嘗試。

結(jié)語

定量思維是一種重要的理科思維能力，對定量思維的培養(yǎng)不應(yīng)局限于計算本身，而應(yīng)使學(xué)生形成一種分析、理解問題的思維模式，一種有效而新穎的解決問題的模式。因此，在化學(xué)教學(xué)中，教師要充分挖掘教材中與定量思維相關(guān)的知識點(diǎn)，在有機(jī)化學(xué)模塊基于真實(shí)情境來培養(yǎng)學(xué)生的定量思維，更能凸顯定量思維在化學(xué)學(xué)習(xí)中的地位，更有利于學(xué)生定量思維習(xí)慣的養(yǎng)成和學(xué)科綜合能力的提升。